DE738668C - Spitzendruckmesser - Google Patents

Spitzendruckmesser

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DE738668C
DE738668C DEZ25407D DEZ0025407D DE738668C DE 738668 C DE738668 C DE 738668C DE Z25407 D DEZ25407 D DE Z25407D DE Z0025407 D DEZ0025407 D DE Z0025407D DE 738668 C DE738668 C DE 738668C
Authority
DE
Germany
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quartz
measuring
electrometer
circuit
pressure
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Expired
Application number
DEZ25407D
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English (en)
Inventor
Dr Hans Illgen
Rudolf Weichelt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zeiss Ikon AG
Original Assignee
Zeiss Ikon AG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

  • Spitzendruckmesser Die Messung schnell veränderlicher Drücke in der Technik und Wehrtechnik bietet verhältnismäßig große Schwierigkeiten infolge der außerordentlich hohen Anforderungen, die an die Trägheitslosigkeit der verwendeten Meßinstrumente gestellt werden müssen. Man hat sich deshalb insbesondere bei der Druckmessung in Feuerwaffen (Gewehren, Geschützen und Druckbomben) lange Zeit darauf beschränkt, lediglich den Spitzendruck zu messen. Obgleich für die Messung des Spitzendruckes eine Reihe von Verfahren angegeben worden sind, hat sich in der Praxis nur das von dem Engländer N o b l e angegebene Stauchverfahren eingeführt, bei dem durch den zu messenden Druck ein Metallzylinder plastisch verformt wird, so daß aus der Verkürzung dieses Zylinders auf den Spitzendruck geschlossen werden kann. Obgleich dieses Meßverfahren in seiner Handhabung recht einfach ist, hat es doch eine Reihe von Mängeln, die in dem dynamischen Verhalten des Stauchkörpers bzw. des Druckübertragungsstempels begründet sind. Deshalb sind die mit dem Stauchzylinderverfahren erhaltenen Spitzendrücke mit Fehlern behaftet, die in ihrer Größe von der Art de gemessenen Druckablaufies abhängig sind.
  • Erst in den letzten Jahren ist neben dem Stauchverfahren mit Erfolg das piezoelektrische Druckmeßverfahren in Anwendung gekommen, bei dem an Stelle des Kupferzylinders ein Quarzkörper elastisch durch den zu messenden Druck deformiert wird. Die bei einer solchen Deformation auf dem Quarz entstehenden piezoelektrischen Ladungen werden verstärkt und einer geeigneten Aufzeichnungseinrichtung, beispielsweise einem Kathodenstrahloszillographen, zugeführt. Mit Hilfe dieser Einrichtung ist es möglich, ohne grundsätzliche Fehler den gesamten Druckverlauf aufzuzeichnen, aus dem sich naturgemäß auch der Maximaldruck als Spitzenwert der aufgezeichneten Gasdruckkurve ohne weiteres entnehmen läßt. Den unbestrittenen Vorteilen des piezoelektrischen Indikators steht lediglich der Nachteil entgegen, daß die gesamte Apparatur immerhin wesentlich umfangreicher als die normale Staucheinrichtung ist und daß infolge der photographischen Aufzeichnung eine längere Zleit zwischen der Druckmessung und der Möglichkeit einer Auswertung vergeht.
  • Nach der Erfindung wird ein vorteilhafteres Verfahren zur Messung des Spitzen druckes angewandt, das - die Vorteile beider Meßver. fahren, nämlich die des Stauchzylinders: Einfachheit und sofortige Ermittlung des Meßwertes, und die des piezoelektrischen Verfahrens: Freiheit von Trägheitserscheinungen und damit bedingte Zuverlässigkeit, in sich vereinligt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Spitzendrücken mittels piezoelektrischer Quarze, bei dem die vom Quarz erzeugte Ladung auf einen Kondensator übertragen wird unter Verwendung einer Ventilröhre, besteht darin, daß diese parallel zum Quarz geschaltet ist und diejenige Ladung gemessen wird, die nach Beendigung des Druckvorganges auf einem zum Quarz ebenfalls parallel geschalteten Kondensator bleibt und in ihrer Größe dem Spitzendruck proportional ist.
  • Eine Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines geeigneten Indikators (z. B. eines Röhrenvoltmeters, eines Einfadenelektrometers oder eines Quadrantenelektrometers oder eines anderen elektrostatisch messenden Instrumentes) zur Messung der nach Beendigung des Druckvorganges am Quarz vorhandenen Spannungen.
  • Ferner ist gemäß der Erfindung ein zwischen dem Quarzkreis und dem Eiektrometermeßkreis liegender hochobmiger Widerstand vorgesehen.
  • Es wird gemäß der Erfindung noch ein zwischen Quarzkreis und Elektrometermeßkreis liegender Schalter vorgesehen, der erst nach Beendigung des Druckvorganges geschlossen wird.
  • Das Merkmal dieser Anordnung besteht darin, daß dieser Schalter durch eine mit dem zu messenden Vorgang in Verbindung stehende Vorrichtung, z. B - über ein Relais, betätigt wird, das durch einen weiteren vom Mündungsdruck betätigten Schalter ,gesteuert wird.
  • Es ist zwar an sich bekannt, eine Diodenstrecke und einen Quarz in Serie zu schaltern, jedoch treten bei dieser bekannten Einrichtung schwerwiegende Nachteile auf. Es ist nämlich einerseits notwendig, den gesamten Diodenkreis einschließlich der Batterie, der Regelwiderstände, der Instrumente usw. gegen Erde hoch zu isolieren oder andererseits den gesamten Röhrenvoltmeterkreis hoch zu isolieren. Ferner benötigt eine solche Einrichtung getrennte Heizbatterien und getrennte Meßgeräte für den Diodenkreis und für das Röhrenvoltmeter. Die Kapazität des Diodenkreises bzw. des Röhrenvoltmeterkreises gegen Erde ergibt eine Veränderung der am Quarz auftretenden Potentiale und ist zudem unbestimmt, da je nach Anordnung der Batterie und der zugehörigen Verbindungsleitungen diese Kapazität in ihrer Größenordnung schwankt. Zudem wird die Abschirmung des Gerätes bei einer solchen Anordnung erschwert. Ferner wird bei der Serienschaltung durch die Diode nur der Teil der Kapazität aufgeladen, der auf der Anbodenseite der Diode liegt. Der übrige Teil der Kapazität, der durch Vorwiderstände, Meßinstrumente und Batterie gebildet wird, ist daher als schädliche Kapazität anzusehen und entlädt sich im Augenblick des Druckrückganges automatisch mit. Da bei Druckrückgang ein Teil der Ladung auf dem Aufladekondensator verbleibt, also dem Quarz entzogen ist, lädt sich diese schädliche Kapazität entgtegengels,etzt auf, und es bildet sich zwischen der Meßkapazität und der schädlichen Kapazität eine relativ hohe Spannungsdifferenz aus. Es ist ferner erforderlich, nach jedem Meßvorgang sowohl die schädliche Kapazität als auch die Meßkapazität durch einen Kurzschlußschalter zu entladen, da sonst die weiteren Messungen verfälscht werden. Eine Verfälschung des Meßvorganges tritt ebenfalls dadurch ein, daß sich ein Teil der auf dem Meßkondensator liegenden Ladung über die Kapazität der Diode durch Infiuenz auf die schädliche Kapazität überträgt. Besonders große Isolationsschwierigkeiten treten ein wenn mit einem Netzgerät gearbeitet wird, da in diesem Falle eine hohe Isolation bestimmter Wicklungen des Transformators erforderlich ist, die jedoch nie so hoch getrieben werden kann, daß der Meßvorgang praktisch unbeeinflußt bleibt.
  • Ferner ist bei der Serienschaltung eine enge Verbindung des Druckelementes mit der Meßdiode, was für eine einwandfreie Messung erforderlich ist, und eine entsprechend lange Verbindungsleitung zwischen dieser Gruppe und dem Röhrenvoltmeter nicht durchführbar, da die Kapazität der HJeizleitung zur Diode den Vorteil einer engen Verbindung zwischen Diode und Druckelement wieder aufhebt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden alle diese Nachteile beseitigt.
  • Ein bekanntes Verfahren läuft darauf hinaus, zur Ermittlung des Spitzendruckes die von einem Quarz während des Druckanstieges erzeugte Ladung über eine Entladevorrichtung einem ballistischen Meßgerät zuzuführen.
  • Die Anzeige des ballistischen Galvanometers ist der durchgegangenen Elektrizitätsmenge und somit dem Spitzendruck proportional.
  • Das ballistische Galvanometer erhält also nur beim Druckanstieg einen Impuls, dessen Größe aus dem Umkehrpunkt des Galvanometerausschlages ermittelt wird. Eie Ablesung über längere Zeit ist dagegen nicht möglich. Dies ist ein Nachteil, denn die Ablesung eines ballistischen Instrumentes im Umkehrpunkt des Zeigerausschlages setzt eine gewisse Übung voraus. Da die Ablesung des Instrumentes während des Schusses erfolgen muß, können auch äußere Eindrücke, z. B. der Knall des Schusses, ablenkens und ungünstig auf die ablesende Person einwirken und dadurch zu einer fehlerhaften Ablesung des Meßergebnisses führen. Weiterhin ist das Meßinstrument während der Ableseperiode, d. h. während des Schußvorganges, starken Erschütterungen, z. B. der Luftdruckwelle, ausgesetzt, was ebenfalls das Anzeige instrument in seiner Funktion ungünstig beeinflußt.
  • Es sind auch Meßgeräte für Spitzendruckmessungen bKekanntgeworden, hei denen man in einem Stromkreis, und zwar in einer Brückenschaltung, Trockengleichrichter verwendet und dabei die durch einen Quarz lerzeugte Elektrizitätsmenge in beiden Phasen des Druckvorganges mißt. Auch hier blestehen die Nachteile, die ein ballistisches Meßgerät mit sich bringt. Im übrigen ist eine genaue Messung nach diesem Verfahren insofern nicht möglich, als erfahrungsgemäß die Sperrwirkung von Trockengleichrichtern niemals so vollkommen ist, daß eine auch nur annähernd richtige Anzeige des Meßdruckes dabei gewährleistet ist.
  • Eine von der Erfindung weiter abseits liegende Vorrichtung betrifft die Messung von Scheitelwerten von Wechselspannungen. Hier werden die Spannungfswierte eines Transformators über ein Ventilrohr auf leinen Kondensator übertragen. Die Schaltung stellt eine Gleichrichterschaltung dar, in der sich, der Kondensator, da er im wesentlichien unbelastet ist, auf die Scheitlelspannung der Transformatorenwicklung auflädt. Zur Verwendung der Einrichtung zum Messen von Spitzendrucken mittels piezoelektrischer Quarze ist jedoch diese Einrichtung nicht vorgeschlagen worden.
  • Ein besonderer Vorteil des Ve'rfahr'ens nach der Erfindung besteht noch darin, daß infolge der Potentialmessung auf einem Kondensator nach der Beendigung des Druckvorganges eine statische Eichung durch beliebig lange auftretende Kräfte möglich ist, während eine derartige Eichung bei Verwiendung eines ballistischen Galvanometers überhaupt nicht durchführbar ist, da für das richtige Arbeiten dieser Instrumente stets Voraussetzung ist, daß die Elektrizitätsmenge blereits durch die Spule des Instrumentes geflossen sein muß, bevor diese eine merkliche Bewegung ausgeführt hat.
  • In der Zeichnung sind drei verschiedene, beispielsweise Schaltskizzen dargestellt.
  • Abb. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Meßschaltung für die Spitzendruchmessung. Die von reinem Quarzkristall 1 erzeugte Ladung wird durch ein Ventilrohr2 2 bis zum Erreichen des Mazimaldruckes abgeleitet, so daß nach Beendigung des Druckvorganges auf einer durch die Leitung und Zusatzkondensatoren gebildeten Kapazität 3 ein Potential bestehenbleibt, dessen Größe mit einem elektrostatisch arbeitenden Voltmeter 4, beispielsweise einem Einsaitenelektrometer oder einem Röhrenvoltmeter, ge--messen werden kann.
  • Bei der Anordnung nach Abb. 2 enthält der Kreis neben dem Quarz 1, dem Ventilrohr 2 und der Kapazität 3 des Quarzes und seiner Zuleitungen eine weitere Kapazität 5, die gegenüber der Kapazität 3 möglichst groß sein muß. Ferner sind lein Widerstand 6, an dessen Stelle auch lein Schalter treten kann, vorgesehen. Diese Organe haben folgenden Zweck: Der Ladungsausgleich erfolgt bei zunächst offenem Schalter über das Ventilrohr 2.
  • Da die Gesamtkapazität des Kreises gering ist, treten am Ventilrohr 2 kurzzeitig hohe Spannungen auf und führen zu einem schnlellen und vollständigen Ausgleich der Ladung.
  • Die nach Beendigung des Druckvorganges auf dem Quarz 1 und der Zusatzkapazität 3 befindliche Ladung wird durch Schließen des Schalters auf die wesentlich größere Kapazität 5 mit verteilt, so daß eine beträchtlich niedrigere Spannung an den Kapazitäten 3, 5 und dem Quarz I liegt. Diese Spannung wird mit Hilfe eines Röhrenvoltmeters 7 gemessein. Die Betätigung des Schalters kann durch eine mit dem zu messenden Vorgang in Verbindung stehende Vorrichtung bewirkt werden; z. B. kann die Auslösung des Schalters über ein Relais bewirkt werden, das durch einen weiteren vom Mündungsdruck betätigten Schalter je steuert wird.
  • Es kann auch an Stelle des Schalters ein hochohmiger Widerstand 6 von mehreren 100 M Q Verwendung finden. Infolge der großen Zeitkonstante des aus dem Widerstand 6 und der Kapazität 5 gebildeten Kreises wird bei dem eigentlichen sehr kurz andauernden Druckvorgang selbst nur wenig Ladung auf die Kapazität 5 übertragen, so daß ebenso wie bei der vorher beschrieblenen Schalt mag am Ventilrohr 2 hohe Spannungen auftreten, die zu einem schnellen Ladungsausgleich führen.
  • Der Kondensator 5 lädt sich nach Beendigung des Druckvorganges erst allmählich auf die durch die vorhandene Elektrizitätsmenge und die Gesamtkapazität des Kreises bedingte Spannung auf, die in der gleichen Weise wie vorher mittels des Röhrenvoltmeters gemessen wird.
  • Die Anordnung gemäß Abb. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Abb. 2 lediglich dadurch, daß das Potential der Kathode des Ventilrohres 2 mit Hilfe einer Batterie 8 um einen durch die freie Gitteraufladung des Meßrohres bedingten Betrag angehoben ist. Ferner ist eine Kompensationseinrichtung 10 vorgesehen, mit deren Hilfe der Anodenstrom in dem Instrument 7 kompensiert werden kann, so daß blei Anwendung eines empfindlichen Instrumentes sehr kleine Anodenstromänderungen gemessen werden können. Schaltungsmäßig ist zweckmäßigerweise dabei die Anordnung so getroffen, daß die Kathode des Elektrometerrohres 9 gegenüber dem Erdpotential in ihrem Potential angehoben ist, so daß die Raumladungsspannung am Gleichrichterrohr 2 dem natürlichen Potentialzustand des Elektrometerrohres 9 entspricht.
  • An Stelle des Anzeigeinstrumentes kann man gegebenenfalls einen Schalter vorsehen, der bei Erreichen bzw. Überschreiten eines zulässigen Spitzen druckes bestimmte Sich erheitsmaßnahmen, beispielsweise Blockierung der Waffe usw., vorsieht bzw. eine Alarmeinrichtung zum Ansprechen bringt Auch kann der Spitzendruckmesser mit einer Einrichtung kombiniert werden, mit der automatisch die Anzeige des Höchstdruckwertes am Anzeigeinstrument photographisch registriert wird.
  • In manchen Fällen wird es angebracht sein, den Spitzendruckmesser in Verbindung mit einem registrierenden Anzeigeinstrument zu bringen, so daß die Spitzendruckwerte der verschiedenen aufeinanderfolgenden Messungen in Form einer Kurve niedergeschrieben werden.

Claims (6)

  1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Verfahren zur Messung von Spitzendrücken mittels piezoelektrischer Quarze, bei dem die vom Quarz erzeugte Ladung auf einen Kondensator übertragen wird unter Verwendung einer Ventilröhre, dadurch gekennzeichnet, daß diese parallel zum Quarz geschaltet ist und diejenige Ladung gemessen wird, die nach Beendigung des Druckvorganges auf einem zum Quarz ebenfalls parallel geschalteten Kondensator bleibt und in ihrer Größe dem Spitzendruck proportional ist.
  2. 2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines geeigneten Indikators (z. B. eines Röhrenvoltmeters 7, eines Einfadenelektrometers oder eines Quadrantenelektrometers oder eines anderen elektrostatisch messenden Instrumentes) zur Messung der nach Beendigung des Druckvorganges am Quarz (1) vorhandenen Spannungen.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch I und 2, gekennzeichnet durch teilen zwischen dem Quarzkreis und dem Elektrometermeßkreis liegenden hochohmigen Widerstand (6).
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch I und 2, gekennzeichnet durch einen zwischen Quarzkreis und Elektrometerkreis liegenden Schalter, der erst nach Beendigung des Druckvorganges ,geschlossen wird.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dies er Schalter durch eine mit dem zu messenden Vorgang in Verbindung stehende Vorrielltung, z. B. über ein Relais, betätigt wird, das durch einen weiteren vom Mündungsdruck betätigten Schalter gesteuert wird.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Potenti,nl der Kathode des Eiektrometerrohres (e)) gegenüber dem Erdpotential um den Betrag der Raumladungsspannung des Gleichrichterrohres (2) angel oben ist
DEZ25407D 1939-08-02 1939-08-02 Spitzendruckmesser Expired DE738668C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1145522B (de) * 1959-11-02 1963-03-14 Energa Zuender fuer Geschosse und Minen mit piezoelektrischer Zuendausloesung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1145522B (de) * 1959-11-02 1963-03-14 Energa Zuender fuer Geschosse und Minen mit piezoelektrischer Zuendausloesung

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